Modelling the Influence of Soil Variability on Geotechnical Structures

Abstract

A existência de variabilidade nas propriedades de solo e rochas é há muito reconhecida e o seu impacto tem sido alvo de estudo por parte de diversos autores. Com o aparecimento do Eurocodigo 7 tem sido dada uma maior relevância a este temática e conceitos como valor característico e análise probabilística têm ganho notoriedade em detrimento dos conceitos determinísticos usados no passado. Como referido por Uzielli et al. (2006) “Abordar a incerteza não aumenta o nível de segurança, mas permite um projeto mais racional já que o engenheiro pode em consciência calibrar a sua decisão tendo em conta a performance desejada ou expectável para a estrutura”. O presente trabalho tem como principal objetivo modelar numericamente a variabilidade existente em solos e rochas e de avaliar qual o seu impacto no comportamento de obras geotécnicas. Em primeiro lugar será feita a descrição do estado atual do conhecimento desta temática de forma a explicitar a importância do conceito de variabilidade bem como dos principais parâmetros necessários para a sua caracterização. Será feita igualmente a revisão dos algoritmos mais frequentemente utilizados para simular a variabilidade onde será dado destaque ao Método da Subdivisão Local (LAS) usado no presente trabalho. A simulação numérica da variabilidade exigiu o desenvolvimento de diversos programas de cálculo cuja descrição detalhada é apresentada. Destacam-se entre estes: um gerador de campos aleatórios (UC2DRF) que permite reproduzir a maioria dos tipos de variabilidade existente nos maciços, a adaptação de um algoritmo de elementos finitos (UCGeoCode) para possibilitar correr as múltiplas análises numéricas e um programa intermediário entre ambos (MAT.PROP) que permite aplicar a variabilidade gerada aleatoriamente às propriedades mecânicas desejadas. Referem-se igualmente os diversos softwares que foram desenvolvidos com o intuito de facilitar a interpretação de resultados. Por último, e com o intuito de aferir o impacto da introdução da variabilidade serão efetuadas três aplicações de prática comum em engenharia geotécnica. Analisa-se em primeiro lugar a capacidade de carga de uma fundação contínua isolada. Posteriormente, avalia-se o comportamento de duas fundações contínuas. E por último, analisa-se o impacto da escavação de um túnel profundo. O estudo destas aplicações irá permitir validar a metodologia usada bem como avaliar o impacto que a variação dos parâmetros selecionados tem na resposta geotécnica e estrutural com a consequente implicação resultante para o dimensionamento destas estruturas.

The presence of variability in soil and rock properties has been widely acknowledged and its impact studied by several authors. With the introduction of Eurocode 7 the impact of variability has become increasingly relevant and notions such as characteristic value and probabilistic analysis have been gaining notoriety in detriment of the deterministic concepts used in the past. As mentioned by Uzielli et al. (2006) “Addressing uncertainty does not increase the level of safety, but allows a more rational design as the engineer can consciously calibrate his decision on a desired or required performance level of a structure”. The present work has the main purpose of modelling numerically the variability observed in soils and rock masses and evaluate its influence on the behaviour of geotechnical structures. Primarily, a description of the current state of knowledge will be provided so that the importance of the concept and of the principal parameters required for its characterization can be understood. A review of the algorithms most commonly used to simulate variability will also be presented emphasizing the Local Average Subdivision (LAS) method, which is used in the present work. Modelling variability in not a direct process and demanded the development of several programs. From these it should be mentioned: the random field generator (UC2DRF) which enables the simulation of diverse types of variability, the upgrade of the finite element code (UCGeoCode) so that multiple analyses could be performed and an intermediate program (MAT.PROP) that allows the application of the randomly generated variability to the desired mechanical properties of the soil. Several other softwares were also developed in order to simplify the interpretation of the numerical results. Finally, with the objective of assess the influence of the introduction of variability three ordinary applications of the current geotechnical engineering practice will be presented. Primarily, the bearing capacity of a strip footing will be analysed. Subsequently the behaviour of twin strip footings will be assessed. Lastly, the impact of the excavation of a deep tunnel will be discussed. The study of these applications will allow the validation of the used methodology and the evaluation of the impact that the variation of the chosen parameters has on the geotechnical and structural response with the consequent implications for the design of this type of structures.